[r]
(1)
Khí hậu khí tượng đại cương
NXB Đại học quốc gia Hà Nội Tr 43 – 69 Từ khố: Bức xạ khí quyển, bực xạ, cân bằng nhiệt.
Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục
đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản tác giả
Mục lục
Chương BỨC XẠ KHÍ QUYỂN
3.1 VỀ BỨC XẠ NÓI CHUNG 3
3.2 CÁC THÀNH PHẦN CÂN BẰNG NHIỆT VÀ CÂN BẰNG BỨC XẠ CỦA TRÁI ĐẤT 4
3.2.1 Thành phần phổ của bức xạ mặt trời 5
3.2.2 Cường độ trực xạ mặt trời 6
3.2.3 Hằng số mặt trời thông lượng chung của bức xạ mặt trời tới Trái Đất 7
3.2.4 Sự biến đổi bức xạ mặt trời khí quyển mặt đất 8
3.2.5 Sự hấp thụ bức xạ mặt trời khí quyển 9
3.2.6 Sự khuếch tán bức xạ mặt trời khí quyển 11
3.3 NHỮNG HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN VỚI SỰ KHUẾCH TÁN BỨC XẠ12 3.3.1 Sự biến đổi mầu của bầu trời 12
3.3.2 Hồng bình minh 13
3.3.3 Sự biến đổi lớn của nhiệt độ khơng khí 14
3.3.4 Tầm nhìn xa 14
Chương 3 Bức xạ khí quyển
(2)3.4 ĐỊNH LUẬT GIẢM YẾU BỨC XẠ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CHO ĐỘ
VẨN ĐỤC CỦA KHÍ QUYỂN 15
3.4.1 Định luật giảm yếu bức xạ 15
3.4.2 Hệ số vẩn đục 17
3.5 TỔNG XẠ VÀ BỨC XẠ HẤP THỤ 18
3.5.1 Tổng xạ 18
3.5.2 Sự phản hồi bức xạ mặt trời – Albêdo của mặt đất 18
3.5.3 Sự phát xạ của mặt đất 19
3.5.4 Bức xạ nghịch 19
3.5.5 Bức xạ hữu hiệu 20
3.5.6 Phương trình cân bằng bức xạ 21
3.5.7 Sự phát xạ từ Trái Đất ngồi khơng gian vũ trụ 21
3.6 PHÂN BỐ BỨC XẠ MẶT TRỜI 22
3.6.1 Sự phân bố bức xạ mặt trời ở giới hạn của khí quyển 22
3.6.2 Phân bố theo đới của bức xạ mặt trời ở mặt đất 24
(3)Chương 3
BỨC XẠ KHÍ QUYỂN
3.1 VỀ BỨC XẠ NÓI CHUNG
Bức xạđiện từ mà sau ta gọi tắt xạ, hình thức đặc biệt vật chất, khác với vật chất thường thấy Trường hợp riêng ánh sáng thấy được, song xạ cịn có tia gamma, tia rơnghen, tia cực tím, tia hồng ngoại, sóng vơ tuyến điện khơng thấy
Bức xạ lan truyền theo nhiều phương từ nguồn phát xạ dạng sóng điện từ với tốc độ
gần 300 000km/s Sóng điện từ dao động truyền không gian hay biến thiên có chu kỳ điện từ lực, chúng tạo nên chuyển động điện tích nguồn phát xạ
Tất vật thể có nhiệt độ lớn không độ tuyệt đối phát xạ có biến đổi cấu trúc mạng điện trở nguyên tử phân tử, có biến đổi hạt nhân nguyên tử quay phân tử Trong khí tượng người ta thường đề cập tới xạ nhiệt
Đó xạđược xác định nhiệt độ khả phát xạ vật phát xạ Trái Đất nhận xạ nhiệt từ Mặt Trời, đồng thời mặt đất khí phát xạ nhiệt với bước sóng dài Ta biết, sóng vơ tuyến máy phát vơ tuyến điện tạo nên thường có bước sóng từ vài mm đến vài km Bức xạ nhiệt có bước sóng từ vài trăm micron đến vài phần nghìn micron, tức từ vài phần chục đến vài phần triệu mm Tia gamma tia rơnghen cịn có bước sóng ngắn nữa, chúng khơng phải xạ nhiệt (bức xạ liên quan với trình bên hạt nhân) Người ta đo bước sóng xạ với độ xác lớn chúng biểu diễn đơn vị nhỏ micron nhiều mili micron (mμ) (1 mili micron phần nghìn micron) ăngstrong (Ao) (bằng một phần vạn micron)
Người ta gọi xạ nhiệt với bước sóng từ 0,002 – 0,4μ xạ cực tím Bức xạ khơng thấy được, nghĩa mắt thường khơng nhận biết Bức xạ với bước sóng từ 0,4 – 0,75μ
là ánh sáng mắt ta nhìn thấy (gọi tắt ánh sáng nhìn thấy) Tia sáng với bước sóng khoảng 0,4mμ tia tím Tia sáng có bước sóng khoảng 0,75μ tia đỏ, tia khác quang phổ có bước sóng trung gian
Bức xạ có bước sóng từ 0,75μđến vài phần trăm m xạ hồng ngoại, xạ cực tím, xạ hồng ngoại khơng nhìn thấy
Trong khí tượng, người ta qui định chia xạ sóng ngắn xạ sóng dài Bức xạ
sóng ngắn xạ có bước sóng khoảng 0,14μ Ngồi ánh sáng thấy được, xạ
(4)Vật thể phát xạ lạnh đi, nhiệt chuyển thành lượng xạ Khi truyền đến vật thể khác, lượng xạ bị vật thểđó hấp thụ chuyển thành dạng lượng khác, chủ yếu thành nhiệt Như xạ nhiệt đốt nóng vật mà truyền tới Trong vật lý học có định luật xạ nhiệt định luật phát xạ Kirsof, Stephan - Boltzmann, Planck, Vin Chẳng hạn, theo định luật Stephan - Boltzmann lượng phát xạ tăng tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối nguồn phát xạ Theo định luật Planck, phân bố lượng phổ xạ nghĩa theo bước sóng, phụ thuộc vào nhiệt độ vật phát xạ
Theo định luật Vin, bước sóng ứng với lượng cực đại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt
đối vật phát xạ Điều có nghĩa với tăng nhiệt độ giá trị cực đại lượng chuyển dịch phía xạ có bước sóng ngắn
Những định luật vừa nêu áp dụng cho vật đen tuyệt đối, vật hấp thụ hồn tồn xạ thân phát xạ cực đại nhiệt độ định Song chúng áp dụng gần
đúng tất vật với giá trị hiệu đính định
Một số vật trạng thái đặc biệt phát xạ với lượng lớn với bước sóng khơng tương ứng với nhiệt độ chúng Chẳng hạn, ánh sáng thấy phát xạ nhiệt độ thấp mà nhiệt độ vật chất thường không phát sáng Bức xạ không tuân theo
định luật phát xạ nhiệt, gọi phát sáng liên tục Để phát sáng liên tục, vật phải hấp thụ lượng định chuyển sang trạng thái kích động giàu lượng trạng thái bình thường vật chất Khi vật chất trở trạng thái bình thường từ
trạng thái kích động, phát sáng liên tục xuất
Hiện tượng cực quang phát sáng ban đêm bầu trời phát sáng liên tục
Danh từ xạ dùng tượng hồn tồn khác xạ hạt, dịng hạt vật chất tích điện, phần lớn proton điện tử chuyển động với tốc độ lớn đến vài trăm km/s, song nhỏ tốc độ ánh sáng nhiều
Năng lượng xạ hạt trung bình nhỏ lượng xạ mặt trời 107 lần, biến thiên lớn theo thời gian tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý Mặt Trời, tức phụ
thuộc vào hoạt động Mặt Trời
Bức xạ hạt không lan xuống độ cao 90 km Tiếp sau chương chủ
yếu nói đến xạ nhiệt
3.2 CÁC THÀNH PHẦN CÂN BẰNG NHIỆT VÀ CÂN BẰNG BỨC XẠ
CỦA TRÁI ĐẤT
Bức xạ mặt trời nguồn lượng xạ thực tế nguồn nhiệt mặt đất khí Bức xạ phát từ mặt trăng không đáng kể so với xạ
(5)Một phần xạ mặt trời ánh sáng thấy Như vậy, mặt trời nguồn nhiệt, mà nguồn ánh sáng cần thiết cho đời sống Trái Đất Bức xạ mặt trời phần biến thành nhiệt khí chủ yếu biến thành nhiệt mặt đất Lượng nhiệt đốt nóng lớp thổ nhưỡng lớp nước cùng, cịn khơng khí bề mặt đốt nóng lớp thổ nhưỡng lớp nước Mặt đất khí
được đốt nóng lại phát xạ hồng ngoại (bức xạ sóng dài khơng nhìn thấy được) Khi phát xạ hồng ngoại ngồi khơng gian vũ trụ, mặt đất khí lạnh
Thực tế cho thấy nhiệt độ trung bình năm mặt đất khí điểm Trái Đất từ năm qua năm khác biến thiên Qua thời kỳ lịch sử,
biến thiên nhỏ rõ ràng có xu tăng hay giảm chúng dao động gần trị số
trung bình Như vậy, xét khoảng thời gian tương đối dài, ta nói Trái Đất
ở trạng thái cân nhiệt, tức lượng nhiệt thu cân với lượng nhiệt Nhưng Trái Đất (bao gồm khí quyển) nhận nhiệt lượng cách hấp thụ xạ mặt trời nhiệt phát xạ, nên ta kết luận Trái Đất trạng thái cân xạ, nghĩa xạđến Trái Đất cân với xạ ngồi khơng gian vũ trụ
3.2.1 Thành phần phổ xạ mặt trời
Trên hình 3.1 phân bố lượng phổ xạ mặt trời giới hạn khí Phần phổ với bước sóng từ 0,1 đến 4μm bao gồm 99% toàn lượng xạ mặt trời Bức xạ với bước sóng nhỏ hay lớn kể tia rơnghen sóng vơ tuyến
điện chiếm 1% lượng lại Phần ánh sáng thấy chiếm khoảng phổ hẹp có bước sóng từ 0,4 đến 0,75μm
Song ởđây bao gồm gần nửa toàn lượng xạ mặt trời (44%) Các tia hồng ngoại (hồng ngoại gần hồng ngoại xa) chiếm lượng gần (trên 48%) lại 7% lượng tia cực tím, tia khác chiếm 1%
Hình 3.1
(6)Ta xác định phân bố lượng phổ lượng mặt trời trước tới khí cách ngoại suy kết quan sát mặt đất Gần đây, người ta thu
được kết quan trọng nhờ dùng tên lửa vệ tinh
Sự phân bố tương đối phù hợp với phân bố lý thuyết lượng phổ
của vật đen tuyệt nhiệt độ 6000oK, nhiệt độ Mặt Trời Như vậy, nói cách chặt chẽ, Mặt Trời khơng phải vật đen tuyệt đối Song coi nhiệt độ gần 6000oK gần với nhiệt độ thực bề mặt Mặt Trời
3.2.2 Cường độ trực xạ mặt trời
Người ta gọi xạ tới mặt đất trực tiếp từđĩa Mặt Trời xạ trực tiếp – trực xạ Mặt Trời, khác với xạ khuếch tán – tán xạ xạ truyền từ Mặt Trời tới khí bị
khí khuếch tán tới mặt đất theo nhiều hướng từ tồn thể bầu trời
Do kích thước Trái Đất nhỏ so với khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời nên trực xạ
tới mặt đất dạng chùm tia song song, dường xuất phát từ vơ (Hìmh 3.2)
Hình 3.2
Tia xạ thẳng đứng xiên so với mặt đất
Thông lượng xạ trực tiếp tới mặt đất hay tới mực khí đặc trưng cường độ xạ I, lượng xạ tới đơn vị thời gian (1 phút) đơn vị diện tích (1 cm2) đặt vng góc với tia
Đại lượng gọi thông lượng xạ hay mật độ thông lượng xạ
Các tia Mặt Trời nhận lượng xạ cực đại điều kiện định Một đơn vị
diện tích mặt ngang nhận lượng xạ mặt trời nhỏ hơn:
' sin
I =I h, (3.1) ởđây h độ cao Mặt Trời Thực vậy, diện tích nằm ngang nhận lượng xạI's' lượng xạIsđi tới diện tích sđặt vng góc với tia sáng:
' '
I s =Is (3.2)
(7)'
' sin
AB I I
AC I I h
= =
(3.3)
Rõ ràng I' = I mặt trời thiên đỉnh, trường hợp khác, I' nhỏ
I Người ta thường gọi thông lượng trực xạ Mặt Trời mặt ngang cường độ nắng hay nắng
3.2.3 Hằng số mặt trời thông lượng chung xạ mặt trời tới Trái Đất
Người ta gọi cường độ xạ mặt trời trước tới khí (người ta cịn nói: "ở giới hạn khí quyển" hay "khi khơng có khí quyển") số mặt trời Từ "hằng số" có ý nói đại lượng khơng phụ thuộc vào hấp thụ khuếch tán khí quyển, nói cách khác, số mặt trời xạ khơng chịu ảnh hưởng khí Như vậy, số mặt trời phụ thuộc vào khả phát xạ mặt trời khoảng cách Trái
Đất Mặt Trời
Hình 3.3
Quỹđạo quay Trái Đất xung quanh Mặt Trời năm tia mặt trời tới Trái Đất
Trái Đất quay quanh Mặt Trời theo quỹđạo bầu dục kéo dài Mặt Trời nằm tiêu cự quỹđạo (Hình 3.3)
Trên hình 3.3 biểu diễn vị trí Trái Đất quỹđạo chuyển động Mặt Trời xung quanh Trái Đất năm góc nghiêng tia Mặt Trời phần Trái Đất năm trình ngày đêm Vào đầu tháng 1, Trái Đất gần Mặt Trời (với khoảng cách 147 triệu km) vào đầu tháng Trái Đất xa Mặt Trời (với khoảng cách 152 triệu km)
(8)gần 2,00 ± 0,04 cal/cm2 phút Song theo qui định quốc tế giá trị của hằng số mặt trời
1.98 cal/cm2 phút
Hằng số mặt trời thời đại lịch sử, thời đại địa chất biến đổi không vượt 3% độ xác xác định số mặt trời
Tại giới hạn khí quyển, phần nửa Trái Đất chiếu sáng phút nhận
được lượng xạ mặt trời tích số mặt trời với diện tích vịng lớn Trái
Đất, tính cm2 Nếu lấy bán kính Trái Đất trung bình 6371 km, diện tích 12,75.1017cm2 Như vậy, phút phần Trái Đất thu lượng xạ mặt trời 25.1017cal Trong năm, Trái Đất nhận 1,37.1024cal
Trung bình centimet vng mặt đất năm nhận 2,6.1015cal Để
nhận lượng nhiệt vậy, phương pháp nhân tạo ta phải đốt 400 nghìn than đá Tồn trữ lượng than đá có Trái Đất thông lượng xạ mặt trời tới Trái Đất 30 năm Trong 1,5 ngày đêm mặt trời cung cấp cho Trái Đất lượng lượng tất nhà máy điện giới cung cấp suốt năm
Tuy vậy, xạ mặt trời tới Trái Đất nhỏ phần hai tỉ toàn xạ phát từ Mặt Trời
Mặc dù thường xuyên lượng xạ lớn, rõ ràng nhiệt độ mặt trời khơng giảm Điều lượng xạ bù lại lượng giải phóng phản ứng nhiệt phân biến hydro thành hêli xảy trung tâm Mặt Trời nhiệt
độ áp suất cao
3.2.4 Sự biến đổi xạ mặt trời khí mặt đất
Khi qua khí xạ mặt trời bị chất khí khí tạp chất khuếch tán phần chuyển thành tán xạ Một phần xạ mặt trời phân tử chất khí khí tạp chất hấp thụ biến thành nhiệt đốt nóng khí
Phần trực xạ khơng bị khuếch tán hấp thụ khí thẳng tới mặt đất, phần bị mặt đất phản hồi phần lớn bị mặt đất hấp thụ đốt nóng nó; phần tán xạ
cũng tới mặt đất, phần lại phản hồi phần đốt nóng mặt đất Một phần khác tán xạđi lên phía vào khoảng khơng gian hành tinh Do q trình hấp thụ khuếch tán xạ khí quyển, trực xạ tới mặt đất biến đổi so với tới giới hạn khí Cường độ xạ giảm đi, thành phần phổ biến đổi, tia xạ có bước sóng khác bị khí hấp thụ khuếch tán khác
(9)gần đường chân trời độ dày tầng khơng khí mà tia xạđi qua lớn, cường độ
trực xạ gần tới không
3.2.5 Sự hấp thụ xạ mặt trời khí
Mặt đất liên tục hấp thụ xạ mặt trời sóng ngắn liên tục phát xạ hồng ngoại Nếu phần hấp thụ xạ mặt trời phần xạ hồng ngoại Trái Đất đạt trạng thái cân xạ nhiệt độ trung bình trạng thái nhiệt độ cân xạ Nhiệt độ
cân xạ Trái Đất (được coi vật đen tuyệt đối) – 18oC, thấp hơn rất nhiều so
với nhiệt độ mặt đất trung bình quan trắc 15oC Sự khác biệt lớn khí Trái Đất hấp thụ phát xạ hồng ngoại cách có chọn lọc Do khí khơng phải vật đen tuyệt đối nên hấp thụ xạ khoảng phổ không hấp thụ xạ khoảng phổ khác
Theo định luật Kirsop, chất khí hấp thụ phát xạ với cường độ khoảng bước sóng Trong khí có lượng xạ mặt trời không lớn bị hấp thụ (chỉ khoảng 15%), chủ yếu phần hồng ngoại phổ Q trình hấp thụ có tính chất chọn lọc; chất khí khác hấp thụ xạ với mức độ khác phần khác phổ (Hình 3.4)
Nitơ hấp thụ xạ với bước sóng ngắn phần cực tím phổ Năng lượng xạ mặt trời phần phổ nhỏ hấp thụ nitơ thực tế không
ảnh hưởng đến cường độ xạ mặt trời Phân tử oxy hấp thụ tia cực tím xạ mặt trời với bước sóng nhỏ 0,2μm
Ơzơn hấp thụ xạ mặt trời mạnh Mặc dù lượng ơzơn khí nhỏ, song hấp thụ xạ cực tím Mặt Trời (chủ yếu khoảng bước sóng 0,2 – 0,3μm, xạ hồng ngoại với bước sóng 9,5μm) mạnh đến mức làm giảm trị số số mặt trời đến vài phần trăm Do hấp thụ xạ tầng điện ly (tầng ion) tầng bình lưu mặt đất phổ mặt trời khơng cịn thấy xạ với bước sóng ngắn 0,29μm Phân tử oxy ôzôn hấp thụ xạ ởđộ cao 10km
Ôxyt nitơ
N2O
Metan
(10)Hình 3.4
Sự hấp thụ xạ chất khí khí
Phía độ cao xạ hồng ngoại hấp thụ nước khí cacbonic (CO2),
hai chất khí hấp thụ xạ nhìn thấy Hơi nước hấp thụ xạ hồng ngoại khoảng bước sóng – 8μm 12μm, cacbonic (CO2) hấp thụ xạ hồng ngoại gần bước
sóng 4μm bước sóng dài 13μm Cả nước khí cacbonic (CO2) khơng hấp
(11)qua bầu khí vào khơng gian vũ trụ Vì khoảng phổ gọi "cửa sổ" khí
Trái Đất có nhiệt độ trung bình 288oK phát xạ sóng dài phần phổ hồng ngoại với bước sóng – 25μm Phần lớn lượng xạ phát nước CO2 có
nhiều phần tầng khí hấp thụ Những chất khí chuyển lượng thành động chia sẻđộng cho chất khí xung quanh hấp thụ xạ hồng ngoại khí nitơ ơxy Kết lượng làm tăng nhiệt độ lớp khơng khí Nếu khơng có nước CO2 nhiệt độ cân xạ (nhiệt độ
phụ thuộc vào cân xạ địa phương) Trái Đất 18oC 33oC thấp hơn
nhiệt độ Đặc tính nước CO2 khí khác mêtan, oxide nitơ
(N2O) tương tự tính chất kính nhà kính Nhà kính cho xạ nhìn thấy vào
ngăn xạ hồng ngoại ngồi Chính người ta gọi hiệu ứng ngăn giữ xạ
hồng ngoại nước CO2 chất khí nêu hiệu ứng nhà kính khí
quyển
Mây ban đêm tăng cường hiệu ứng nhà kính khí hấp thụ xạ hồng ngoại hấp thụ xạ nhìn thấy Mây cịn hấp thụ xạ có bước sóng – 11μm
đóng cửa sổ khí Kết mây làm cho nhiệt độ lớp khơng khí sát đất tăng lên vào ban đêm giảm vào ban ngày
3.2.6 Sự khuếch tán xạ mặt trời khí
Ngồi hấp thụ, trực xạ đường xun qua khí cịn giảm yếu bị khuếch tán giảm yếu lớn giảm yếu hấp thụ Quá trình khuếch tán biến đổi phần trực xạ có hướng lan truyền định thành xạ lan theo hướng
Quá trình khuếch tán xảy môi trường không đồng mặt quang học, nghĩa môi trường mà số khúc xạ biến đổi từ điểm tới điểm khác Không khí khí chứa hạt tạp chất nhỏ thể rắn thể lỏng giọt nước, hạt băng hay nhân ngưng kết, hạt bụi môi trường khơng đồng Ngay khơng khí khơng có tạp chất môi trường quang học không đồng Vì khơng khí chuyển động nhiệt phân tử, nên ln ln xảy q trình dãn ra, nén lại biến đổi nhiệt độ
Vì vậy, gặp phần tử hạt vật chất khí quyển, tia mặt trời bị lệch khỏi hướng lan truyền thẳng bị khuếch tán Bức xạ lan truyền từ hạt khuếch tán lan truyền từ nguồn phát xạ
Trong khí quyển, khoảng 25% lượng xạ mặt trời chuyển thành tán xạ Thực khoảng 2/3 lượng tán xạ đến mặt đất Song dạng xạđặc biệt, khác nhiều so với trực xạ
(12)phần tia có bước sóng ngắn Kích thước hạt khuếch tán nhỏ tia sóng ngắn bị khuếch tán mạnh so với tia sóng dài
Theo định luật Rơlây, khơng khí sạch, q trình khuếch tán phân tử chất khí với kích thước phân tử lớn gấp 10 lần độ dài bước sóng ánh sáng, trình khuếch tán tỉ lệ nghịch bậc bốn độ dài bước sóng tia bị khuếch tán
iλ a4 Iλ
λ
⎛ ⎞
= ⎜ ⎟⎝ ⎠ , (3.4)
ởđây Iλ cường độ trực xạ với bước sóng λ
iλ cường độ tán xạ có bước sóng,
a hệ số tỉ lệ
Do bước sóng tia đỏ dài gần gấp đơi bước sóng tia tím nên phân tử khí khuếch tán yếu 16 lần so với tia tím Các tia hồng ngoại bị khuếch tán với mức độ không đáng kể, tia sóng ngắn phần phổ thấy tán xạ, tức tia tím xanh, có lượng lớn so với tia màu da cam, tia đỏ tia hồng ngoại
Trong phổ trực xạở mặt đất phần tia vàng, xanh mạ phần nhìn thấy (thị
phổ) có lượng cực đại, cịn tán xạ lượng phần cực đại phần tia xanh Cần nói thêm khác với trực xạ, tán xạ phân cực phần mức độ phân cực xạ đến từ phần bầu trời khác khơng
Nếu hạt có đường kính lớn 1,2μm khơng cịn xảy tượng khuếch tán mà xảy tượng phản hồi Khi xạ bị phản hồi hạt bị phản hồi từ
các gương nhỏ theo nhiều hướng khác (theo định luật góc phản xạ góc tới) khơng có biến đổi thành phần phổ
3.3 NHỮNG HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN VỚI SỰ KHUẾCH TÁN BỨC XẠ
3.3.1 Sự biến đổi mầu bầu trời
Màu bầu trời màu khơng khí gây nên khuếch tán tia mặt trời xun qua nó: nước, khơng khí suốt nhìn qua lớp mỏng
Song với độ dày tồn khí quyển, khơng khí có màu xanh da trời, nước với độ dày vài mét có màu xanh mạ, màu xanh khơng khí thấy ta nhìn lên bầu trời nhìn vật xa Những vật dường nhưđược bao phủ khói màu xanh da trời Theo chiều cao với giảm mật độ khơng khí, tức giảm lượng hạt khuếch tán, màu bầu trời trở nên tối biến dần thành màu xanh thẫm, cịn
(13)Khơng khí vàng có nhiều tạp chất với kích thước lớn so với phần tử khơng khí, thành phần tia sóng dài phổ mặt trời lớn màu bầu trời trở nên sáng trắng Những hạt sương mù, mây bụi lớn có đường kính lớn 1,2μm phản hồi tia với bước sóng cách đồng Vì vậy, vật sương mù mù khô phủ
bằng lớp mù màu trắng hay xám khơng xanh da trời Mây tia sáng mặt trời chiếu nên có màu trắng
Quá trình khuếch tán biến đổi màu tia sáng thẳng từ mặt trời Do bị khuếch tán, lượng tia mặt trời có bước sóng ngắn phần thấy phổ, tức tia xanh tím, giảm nhiều, tia sáng mặt trời trực tiếp không bị khuếch tán, trở
nên có màu vàng Đĩa mặt trời sáng trở nên vàng xuống gần đường chân trời, nghĩa đường tia sáng qua khí dài khuếch tán lớn
Sự khuếch tán xạ mặt trời khí tạo nên ánh sáng khuếch tán ban ngày Nếu khơng có khí Trái Đất có ánh sáng nơi có tia sáng trực tiếp từ
mặt trời hay tia mặt trời bị mặt đất vật phản hồi
Song có ánh sáng khuếch tán, tồn khí ban ngày nguồn phát sáng Vì ban ngày, nơi tia mặt trời không trực tiếp mặt trời bị lấp sau mây có ánh sáng Do chứa nhiều lượng tia xanh, nên ánh sáng khuếch tán trắng ánh sáng trực tiếp từđĩa mặt trời
3.3.2 Hồng bình minh
Buổi chiều sau Mặt Trời lặn, trời khơng tối Khi bầu trời, phần đường chân trời nơi Mặt Trời lặn sáng toả xạ khuếch tán tới mặt đất với cường độ yếu dần Tương tự buổi sáng bầu trời sáng dần toả ánh sáng khuếch tán trước Mặt Trời mọc
Hiện tượng chưa tối hẳn gọi hồng bình minh Nguyên nhân tượng Mặt Trời chiếu sáng tầng cao khí quyển, nằm đường chân trời
Hồng thiên văn tiếp tục đến Mặt Trời hạ xuống đường chân trời góc 18o, trời tối đến mức quan sát mờ Bình minh Mặt Trời có vị trí đường chân trời tương tự Phần đầu hồng hay phần cuối bình minh thiên văn bắt đầu Mặt Trời khơng xuống q đường chân trời góc 18o gọi hồng bình minh theo ý nghĩa thơng dụng
Thời gian kéo dài hồng bình minh thiên văn biến đổi theo vĩđộ thời gian năm Ở miền ơn đới, bình minh hồng kéo dài đến hai giờ, miền nhiệt đới ngắn hơn, xích đạo kéo dài
Mùa hè miền vĩđộ cao, Mặt Trời hồn tồn khơng hạ xuống đường chân trời hay hạ xuống không nhiều Nếu Mặt Trời hạ xuống đường chân trời góc 18o, trời khơng tối hồn tồn hồng nối liền với bình minh Hiện tượng gọi
(14)Hồng bình minh thường kèm theo thay đổi màu bầu trời hướng có Mặt Trời đẹp đơi rõ nét Những biến đổi bắt đầu sau Mặt Trời lặn hay tiếp tục sau Mặt Trời mọc Chúng có đặc tính tương đối có qui luật gọi rạng đông Đặc trưng cho rạng đông màu đỏ thắm vàng, cường độ đặc tính màu rạng đơng biến đổi lớn tuỳ thuộc vào lượng tạp chất khơng khí Áng mây lúc bình minh hồng nhiều vẻ khác nhau; phần bầu trời đối diện với mặt trời thường quan sát thấy tượng đối rạng đơng có kèm theo biến đổi màu chủ yếu đỏ
thắm tím pha đỏ
Sau Mặt Trời lặn, ởđây thường xuất bóng Trái Đất, bóng lớn dần theo chiều cao phía thành hình quạt màu xám pha xanh da trời Hiện tượng rạng đông xảy ánh sáng bị khuếch tán hạt nhỏ bị nhiễu xạ hạt lớn
3.3.3 Sự biến đổi lớn nhiệt độ khơng khí
Theo chiều cao, lớp sát đất tạo thành lớp khí với mật độ khác Tia sáng qua bị phản hồi lớp khơng khí gây nên tượng ảo ảnh Cây hình 3.5 khơng thể mọc ngược Tia sáng phản chiếu qua lớp không khí nóng mặt cát sa mạc làm cho ta có cảm tưởng từ phía đất vậy, ta thấy lộn ngược, khác với nhìn trực tiếp
Hình 3.5
Ảo ảnh lộn ngược sa mạc cát nóng
3.3.4 Tầm nhìn xa
Những vật xa khơng nhìn rõ vật gần khơng kích thước thấy chúng giảm Thậm chí vật lớn khoảng cách so với người quan sát trở nên khó phân biệt, khí qua vật rõ thường vẩn đục,
vẩn đục q trình khuếch tán ánh sáng khí gây nên Dễ hiểu độ vẩn đục tăng lượng tạp chất khơng khí lớn Nhiều ta cần biết khoảng cách từđó hình dạng vật, nhìn qua lớp khơng khí khơng phân biệt với xung quanh Khoảng cách gọi tầm nhìn xa khí tượng, hay gọi tắt tầm nhìn xa
Tầm nhìn xa thường xác định mắt theo vật chọn trước (vật đen bầu trời) Khoảng cách tới vật đo xác định trước Ngoài ra, để xác định tầm nhìn xa cịn có nhiều dụng cụ quang học
(15)phần tử chất khí khí Trong khơng khí có chứa nhiều bụi sản phẩm ngưng kết, tầm nhìn xa giảm tới vài km, hay vài mét Ví dụ sương mù nhẹ, tầm nhìn xa khoảng 500 m đến 1000m, sương mù dày đặc hay bão cát mạnh tầm nhìn xa giảm tới vài chục mét hay vài mét
3.4 ĐỊNH LUẬT GIẢM YẾU BỨC XẠ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CHO
ĐỘ VẨN ĐỤC CỦA KHÍ QUYỂN
Q trình hấp thụ khuếch tán ánh sáng khí làm giảm thơng lượng xạ
mặt trời Ta tìm định luật giảm yếu xạ
3.4.1 Định luật giảm yếu xạ
Bức xạ giảm yếu khí q trình hấp thụ khuếch tán Sự giảm yếu tỉ
lệ thuận trước hết với cường độ xạ (bức xạ mạnh bị nhiều điều kiện nhau), với lượng hạt hấp thụ khuếch tán ánh sáng
đường tia xạ Chính lượng hạt lại phụ thuộc vào độ dài quãng đường tia xạ qua khí phụ thuộc vào mật độ khơng khí Đối với bước sóng
có hệ số tỉ lệ riêng q trình hấp thụ có tính chất chọn lọc, cịn q trình khuếch tán ánh sáng phụ thuộc vào độ dài bước sóng Đểđơn giản chúng tơi xét tồn thơng lượng xạ lấy hệ số tỉ lệ trung bình
Vì mật độ khơng khí biến đổi theo chiều cao nên ta viết phương trình vi phân mơ tả giảm yếu xạ với cường độI đại lượng dI lớp khí mỏng vơ với mật độ khơng khí ρ, đường tia xạ đại lượng vơ nhỏ ds (Hình 3.6)
ta có:
ds aI
dI=− ρ , (3.5)
ởđây a hệ số tỷ lệ hay gọi hệ số giảm yếu Tích phân biểu thức từ giới hạn khí từđiểm A với cường độI0 số mặt trời tới điểm B với cường độ trực
xạ mặt đất, ta có:
0 ln ln B A B B A A B A a ds dI a ds I
I I a ds
I I e
ρ ρ ρ − = − = − ∫ = ∫ ∫
(16)Biểu thức
B
A
ds
ρ
∫ khối lượng khơng khí mà tia xạđi qua thiết diện thẳng thông lượng xạ đơn vị
Hình 3.6
Đường tia mặt trời qua khí
Biểu thị khối lượng quang học khí m, ta có
0
am
I=I e− , (3.7) ởđây, a hệ số giảm yếu, hay ký hiệu e−a = p
0
m
I=I p , (3.8) ởđây p hệ số suốt (cũng tính trung bình cho tia với bước sóng khác nhau) Cơng thức (3.8) gọi công thức Bughê Ta coi khối lượng quang học khí mà tia qua Mặt Trời thiên đỉnh đơn vị Khi với m = 1, nghĩa Mặt Trời
thiên đỉnh thì:
0
0
I I p I p
I
=
= (3.9)
Như hệ số suốt phần số mặt trời tới Trái Đất tia mặt trời chiếu thẳng đứng so với mặt đất Tất nhiên, khối lượng quang học khí phụ thuộc vào
độ cao hay khoảng cách tới thiên đỉnh Mặt Trời Với khoảng cách tới thiên đỉnh Mặt Trời z nhỏ 60o khối lượng khí gần sec z (sec z =
cosz), cơng thức (3.8)
có thể viết lại sau:
sec
z
I=I p (3.10)
(17)secz khí có dạng cầu, tượng nhiễu xạ, phụ thuộc m
vào z phức tạp Với z = 90o, nghĩa Mặt Trời nằm đường chân trời, m giá trị vô lớn mà 35
Do số mặt trời xác định, nên sau đo cường độ xạở mặt đất với khoảng cách tới thiên đỉnh Mặt Trời đó, ta tìm giá trị trung bình (cho tồn thơng lượng xạ) hệ số suốt vào thời điểm định theo công thức (3.6) Bằng phương pháp lý thuyết, ta xác định hệ số suốt trung bình khí lý tưởng khơng chứa nước tạp chất Đối với khí lý tưởng hệ số suốt trung bình khoảng 0,9; khí thực, miền đồng bằng, hệ số biến đổi từ 0,70 – 0,85 vào mùa đông lớn vào mùa hè Sức trương nước khơng khí tăng, hệ số suốt giảm nhiều Hệ số suốt tăng theo vĩđộ lượng nước lượng bụi khí giảm nhỏ Tại xích đạo, giá trị trung bình 0,72, cịn vĩđộ 75oN bằng
0,82
3.4.2 Hệ số vẩn đục
Toàn giảm yếu xạ hấp thụ khuếch tán ánh sáng chia làm hai thành phần: giảm yếu chất khí cố định (khí lý tưởng) giảm yếu nước tạp chất Hệ số giảm yếu a công thức (3.4) biểu thị hai thành phần
Song ta tách từ hệ số thành phần giảm yếu chất khí khơng đổi Hệ số giảm yếu A chất khí lý tưởng xác định tương đối xác Ta lập tỉ số hệ số
giảm yếu khí thực a với hệ số giảm yếu khí lý tưởng A Tỉ sốa/A gọi hệ số vẩn đục
T a A
= , (3.11)
thay a = AT vào cơng thức (3.7) ta có
0
AmT
I =I e− (3.12)
Từđó ta thấy giảm yếu xạ khí thực biểu diễn cơng thức (3.12) có hệ số giảm yếu khí lý tưởng; cịn khối lượng khí tăng lên
T lần
Nói cách khác hệ số vẩn đục số khí lý tưởng cần lấy để có giảm yếu xạ khí thực gây
Giá trị trung bình hệ số vẩn đục miền đồng thuộc miền ôn đới gần Trong thành phố lớn, nơi khơng khí có nhiều tạp chất, giá trị lớn Ở
(18)chứa khơng khí Khi khơng khí Bắc Băng Dương xâm nhập, phần tầng
đối lưu bụi nước, trạm đồng T giảm đến hay nhỏ
3.5 TỔNG XẠ VÀ BỨC XẠ HẤP THỤ 3.5.1 Tổng xạ
Người ta gọi toàn xạ mặt trời tới mặt đất gồm trực xạ tán xạ tổng xạ Cường độ tổng xạ lượng phút tới cm2 mặt phẳng ngang đặt ngồi trời khơng bị che khuất khỏi tia trực xạ Như cường độ tổng xạ bằng:
( sin )
s
I = I h+i , (3.13) ởđây: I cường độ trực xạ
i cường độ tán xạ h độ cao Mặt Trời
Khi trời quang mây, tổng xạ có biến trình ngày đơn giản với cực đại vào trưa với biến trình năm đơn giản với cực đại vào mùa hè Mây phần không che khuất Mặt Trời làm tổng xạ tăng so với khơng có mây; ngược lại, mây tồn phần làm giảm tổng xạ Tính trung bình mây làm giảm tổng xạ, vào mùa hè tính trung bình lượng tổng xạ vào trước buổi trưa lớn vào sau buổi trưa vào nửa năm đầu lớn vào nửa năm sau
3.5.2 Sự phản hồi xạ mặt trời – Albêdo mặt đất
Khi tới mặt đất, phần lớn tổng xạ bị hấp thụ lớp mỏng nằm thổ
nhưỡng hay vùng chứa nước biến thành nhiệt, phần bị phản hồi Lượng xạ
mặt trời bị mặt đất phản hồi phụ thuộc vào đặc tính mặt đất Tỉ số lượng xạ phản hồi (phản xạ) với thơng lượng xạ tới bề mặt (tổng xạ) gọi albêdo bề mặt Tỉ
số thường biểu thị phần trăm
Như vậy, tổng xạ(Isin h + i), phần (sin h + i)A, ởđây A albêdo mặt đất Phần lại tổng xạ(Isin h+i) (1 – A) mặt đất hấp thụ đốt nóng lớp thổ nhưỡng mặt nước, xạ gọi xạ hấp thụ
Albêdo mặt thổ nhưỡng nói chung biến đổi khoảng từ 10 đến 30 %, đất
đen ướt albêdo giảm đến 5%, cát khô màu xám albêdo tăng đến 45 % Độ ẩm thổ nhưỡng tăng, albêdo giảm Albêdo lớp phủ thực vật, rừng, đồng cỏ, ruộng, biến đổi khoảng 10 đến 25 % Đối với tuyết rơi lâu, albêdo khoảng 50 % hay nhỏ
hơn Albêdo mặt nước phẳng trực xạ biến đổi từ vài trăm với độ cao mặt trời lớn,
(19)albêdo lớn sóng nhỏ Tính trung bình albêdo mặt đại dương giới – 20 % Albêdo đỉnh mây biến đổi từ 70 đến 80 %, tuỳ thuộc vào loại độ dày mây, tính trung bình giá trị 50 – 60 %
Những số dẫn khơng chỉđối với xạ nhìn thấy mà cho toàn phổ xạ mặt trời
Ngồi ra, người ta cịn dùng dụng cụ quang học đểđo albêdo riêng xạ nhìn thấy, tất nhiên giá trị albêdo khơng hồn tồn trùng với albêdo tồn thơng lượng xạ mặt trời
Phần lớn xạ bị mặt đất đỉnh mây phản hồi khỏi khí vào khơng gian vũ
trụ Một phần tán xạ (khoảng 1/3) vào không gian vũ trụ
Tỉ số phần phản xạ tán xạ vào vũ trụ so với thơng lượng xạ chung tới khí gọi albêdo Trái Đất
Albêdo Trái Đất khoảng 35 – 40% chủ yếu mây phản hồi xạ mặt trời gây nên
3.5.3 Sự phát xạ mặt đất
Bản thân lớp thổ nhưỡng nước, lớp tuyết phủ lớp phủ thực vật phát xạ sóng dài Người ta gọi xạ xạ mặt đất Ta tính
được xạ mặt đất biết nhiệt độ tuyệt đối Theo định luật Stephan – Boltzmann, cường độ xạ từ 1cm2 bề mặt vật đen tuyệt đối tính calo phút với nhiệt
độ tuyệt đối T bằng:
4
E=σT , (3.14) ởđây sốσ =8,2.10 – 11cal/cm2 Mặt đất phát xạ gần vật đen tuyệt đối cường
độ xạ Eđ xác định theo công thức (3.14) Với nhiệt độ 15oC hay 288oK; Eđ=
0,6cal/cm2 phút Lượng xạ lớn phát từ mặt đất dẫn tới trình làm mặt đất lạnh nhanh chóng, mặt đất không hấp thụ xạ mặt trời xạ khí
Nhiệt độ tuyệt đối mặt đất khoảng 180 – 350oK Với nhiệt độđó, xạ phát có bước sóng giới hạn từ – 120μm, lượng cực đại ứng với bước sóng 10 – 15μm Như vậy, toàn xạ xạ hồng ngoại, mắt thường không thấy
3.5.4 Bức xạ nghịch
(20)Ngồi ra, khí thu nhiệt từ mặt đất trình truyền nhiệt trình bốc ngưng kết nước Bịđốt nóng, khí phát xạ Cũng mặt đất, khí phát xạ hồng ngoại khơng nhìn thấy với bước sóng tương tự
Phần lớn xạ khí (70%) tới mặt đất, phần cịn lại vào khơng gian vũ trụ Người ta gọi phần xạ khí tới mặt đất xạ nghịch hướng ngược với xạ mặt đất Mặt đất hấp thụ hoàn toàn (90 – 99%) xạ nghịch
Như vậy, mặt đất, xạ nghịch nguồn nhiệt lớn quan trọng làm tăng thêm lượng hấp thụ xạ chung
Bức xạ khí tăng lượng mây tăng mây phát xạ mạnh Đối với trạm đồng bằng, cường độ xạ khí (trên diện tích cm2 mặt đất nằm ngang
trong phút) trung bình khảng 0,3 – 0,4 cal, trạm vùng núi, giá trị khoảng 0,1 – 0,2 cal Bức xạ khí giảm theo chiều cao lượng nước giảm Giá trị cực đại quan sát thấy vùng xích đạo nơi khí bịđốt nóng mạnh giàu nước, giá trị
trung bình năm xạ khí khoảng 0,5 – 0,6 cal/cm2 phút, ở vùng cực giá trị
này giảm tới 0,3 cal/cm2 phút
Thực thể chủ yếu khí hấp thụ xạ mặt đất phát xạ khí nước Hơi nước hấp thụ xạ hồng ngoại phần lớn phổ với bước sóng từ 4,5 – 80μm trừ phần phổ 8,5 – 11μm Với lượng nước trung bình khí quyển, xạ
với bước sóng từ 5,5 – 7μm hay lớn hơn, bị hấp thụ hồn tồn Bức xạ có bước sóng khác bị hấp thụ phần
3.5.5 Bức xạ hữu hiệu
Bức xạ nghịch nhỏ xạ mặt đất Vì vậy, ban đêm khơng cịn xạ mặt trời tới mặt đất xạ nghịch, mặt đất lượng nhiệt hiệu xạ mặt đất xạ nghịch, người ta gọi hiệu số xạ hữu hiệu Eh:
h d kq
E =E +E (3.15)
Bức xạ hữu hiệu phần nhiệt lượng mặt đất vào ban đêm Nó đo dụng cụ đặc biệt gọi thụ xạ kế Biến đổi xạ mặt đất xác định theo định luật Stephan – Bonsmann biết nhiệt độ mặt đất, cịn xạ nghịch tính theo cơng thức (3.15) Thường xạ mặt đất lớn xạ khí nên mặt đất nhiệt, thường Eh <
Cường độ xạ mặt đất đêm quang mây đạt tới 0,10 – 0,15 cal/cm2phút
các trạm đồng thuộc miền ôn đới tới 0,2 cal/cm2phút ở những trạm miền núi (nơi bức
xạ nghịch nhỏ hơn) Lượng mây tăng làm xạ nghịch tăng, xạ hữu hiệu giảm Khi trời nhiều mây, xạ hữu hiệu lớn nhiều so với lúc trời quang mây, kết lạnh mặt đất ban đêm giảm
(21)cũng lớn Khí hấp thụ xạ mặt đất phát xạ nghịch mặt đất vào ban
đêm
3.5.6 Phương trình cân xạ
Người ta gọi hiệu xạ hấp thụ xạ hữu hiệu:
R=( sinI h+i)(1−A)−Eh, (3.16)
là cân xạ mặt đất hay xạ dư (còn gọi cán cân xạ) Cân xạ có giá trị dương ban ngày sau mặt trời lên tới độ cao 10 – 15o từ giá trị dương sang giá trị âm trước mặt trời lặn đường chân trời với độ cao
Ban ngày, cân xạ biến đổi theo độ cao mặt trời Ban đêm, tổng xạ không, cân xạ âm xạ hữu hiệu Vì ban đêm cân xạ biến
đổi, điều kiện mây ổn định
Biến trình ngày thành phần cân xạ thân cân xạ
phụ thuộc chủ yếu vào độ cao mặt trời ngày Trong điều kiện quang mây trực xạ tăng từ
buổi sáng đạt cực đại đến trưa (12h), chiều giảm dần tới không mặt trời lặn Tán xạ
và tổng xạ có biến trình tương tự trực xạ Khi có mây biến trình bị phá vỡ buổi trưa có mây tích trực xạ giảm tới khơng Khi có mây, biến trình cân xạ khơng có dạng chuẩn mơ tảở
3.5.7 Sự phát xạ từ Trái Đất ngồi khơng gian vũ trụ
Như nói, phần lớn xạ mặt đất bị khí hấp thụ, khoảng bước sóng 8,5 – 11μm qua khí vào khơng gian vũ trụ Lượng xạ
bằng 10 đơn vị lấy tồn thơng lượng xạ mặt trời giới hạn khí 100 đơn vị Ngồi ra, thân khí phát xạ ngồi khơng gian vũ trụ 55 đơn vị, nghĩa phát xạ mạnh mặt đất nhiều
Bức xạ phát từ lớp khí lớp khí tầng cao hấp thụ hồn tồn Nhưng xa mặt đất, lượng nước hấp thụ xạ giảm nên lớp khơng khí hấp thụ tồn xạ từ lớp phía phải dày Từđộ
cao nước nói chung khơng đủđể hấp thụ tồn xạ từ lên từđây xạ khơng gian vũ trụ Tính tốn cho thấy lớp khí nằm ởđộ cao – 10 km phát xạ ngồi khơng gian vũ trụ mạnh
(22)Như vậy, Trái Đất với khí lượng xạ lượng xạ nhận
được Kết Trái Đất trạng thái cân xạ
3.6 PHÂN BỐ BỨC XẠ MẶT TRỜI
3.6.1 Sự phân bố xạ mặt trời giới hạn khí
Sự phân bố lượng xạ tới Trái Đất lượng xạ Trái Đất vấn đề có ý nghĩa lớn khí hậu học Trước hết, ta xét phân bố xạ mặt trời mặt nằm ngang giới hạn khí (hay nói khơng có khí ) Như
vậy, ta giả thiết tượng mây hấp thụ, khuếch tán, phản hồi xạ hồn tồn khơng xảy Sự phân bố xạ mặt trời giới hạn khí đơn giản Thực vậy, phân bố tồn ởđộ cao vài chục kilomet Theo thói quen, người ta gọi
phân bố vừa nói khí hậu xạ
Nếu xác định xạ mặt đất với khoảng cách thực tế Trái Đất Mặt Trời giá trị
trung bình hàng năm 1,98 cal/cm2 phút vào tháng 2,05 vào tháng 1,91
cal/cm2 phút Kết giới hạn khí ngày hè Bắc Bán Cầu nhận lượng xạ nhỏ ngày hè Nam Bán Cầu
Hình 3.7
Độ dài ban mùa đông ngắn (cột phải) ngày mùa hè dài (cột trái) vĩđộ
khác
Lượng xạ nhận ngày giới hạn khí phụ thuộc vào thời gian năm vĩđộđịa phương
(23)Hình 3.8
Thơng lượng xạ mặt trời mặt ngang khơng có khí (kcal/cm2) mùa hè, mùa đơng tồn
năm theo vĩđộ
Song thời gian trên, vĩđộ khác nhau, độ dài ngày khác Trong trình năm, độ dài ngày biến đổi khác (Hình 3.7)
Tại cực nửa năm mùa hạ Mặt Trời không lặn không mọc suốt tháng mùa
đông Giữa cực vành đai quanh cực, Mặt Trời mùa hè khơng lặn, cịn mùa đông không mọc thời kỳ dài từ vài ngày tới nửa năm Tại xích đạo ngày kéo dài 12 Từ vành đai quanh cực đến xích đạo, mùa hè, thời gian ban ngày giảm, mùa đông tăng
Mùa đông, thông lượng xạ giảm nhanh từ xích đạo tới cực, vào mùa hè biến
đổi nhỏ nhiều Cực đại thông lượng xạ mùa hè quan trắc vùng nhiệt
đới, từ vùng nhiệt đới đến xích đạo thơng lượng xạ giảm (Hình 3.8) Sự khác biệt không nhiều thông lượng xạ vào mùa hè vĩđộ nhiệt đới cực độ cao mặt trời vĩđộ cực nhỏ song ngày lại dài Vì vào ngày hạ chí, khơng có khí miền cực nhận xạ nhiều xích đạo Điều thấy bảng
Thơng lượng xạ trung bình Bắc Bán Cầu mặt ngang (cal/cm2)
đối với ngày chí ngày phân
Thông lượng xạ mặt trời trung bình Bắc Bán Cầu mặt ngang (tính cal/cm2 phút) vào ngày hạ chí đơng chí, ngày xuân phân thu phân
(24)Ngày/tháng Vĩđộ (o)
0 – 10 10 – 20 20 – 30 30 – 40 40 – 50 50 – 60 60 – 90 Tại giới hạn khí
22/12 21/3 22/6 23/9 0.549 0.619 0.579 0.610 0.465 0.601 0.629 0.562 0.373 0.553 0.664 0.556 0.274 0.509 0.684 0.503 0.173 0.441 0.689 0.435 0.079 0.358 0.683 0.353 0.006 0.211 0.703 0.208 Trực xạ mặt đất
22/12 21/3 22/6 23/9 0.164 0.191 0.144 0.170 0.161 0.224 0.170 0.162 0.134 0.206 0.216 0.201 0.082 0.161 0.233 0.183 0.036 0.116 0.183 0.131 0.013 0.098 0.159 0.079 0.001 0.055 0.133 0.028 Tán xạ mặt đất
22/12 21/3 22/6 23/9 0.091 0.108 0.105 0.107 0.079 0.105 0.114 0.104 0.066 0.099 0.124 0.097 0.052 0.093 0.125 0.091 0.034 0.083 0.126 0.081 0.016 0.066 0.122 0.065 0.001 0.047 0.153 0.048
3.6.2 Phân bố theo đới xạ mặt trời mặt đất
Ta phân tích phân bố xạở giới hạn khí Đến mặt đất, xạ yếu
đi bị khí hấp thụ khuếch tán, ngồi khí có mây mây nhiều trực xạ mặt trời không tới mặt đất bị mây hấp thụ, khuếch tán phản hồi Mây giảm trực xạ mạnh Chẳng hạn Tasken vùng sa mạc vào tháng tám 20% trực xạ mây Tại Vladivơstok nơi có khí hậu gió mùa, lượng xạ mây chiếm khoảng 75%
Như vậy, lượng trực xạ mặt trời thực tếđến mặt đất thời gian nhỏ lượng trực xạ tính cho giới hạn khí nhiều Sự phân bố trực xạ mặt trời phức tạp độ suốt khí điều kiện mây biến đổi lớn tuỳ thuộc vào hoàn cảnh địa lý
Ta coi phân bố xạ mặt trời mặt đất theo đới dẫn bảng
gần thứ hai so với điều kiện thực theo đới gần mặt đất
(25)Từ bảng trên, ta thấy thông lượng trực xạ mặt trời tới mặt đất tán xạ bổ sung thêm nhiều Nói chung, lượng tán xạ nhỏ lượng trực xạ song bậc đại lượng chúng
nhau Trong miền nhiệt đới ôn đới, lượng tán xạ chiếm khoảng 1/2 đến 2/3 lượng trực xạ,
vĩ tuyến 50 – 60o lượng trực xạ gần lượng tán xạ – miền vĩđộ cao (60 – 90o) quanh năm tán xạ lớn trực xạ Mùa hè Bắc Bán Cầu thông lượng trực xạở vĩđộ
cao lớn đới khác Các đồ khí hậu học (các đồ trung bình nhiều năm) giúp ta hình dung xác phân bố xạ Trái Đất đây, ta nghiên cứu đồ khí hậu tổng xạ
3.6.3 Phân bố địa lý tổng xạ
Ta xét phân bố lượng tổng xạ hàng năm hàng tháng Trái Đất Ta thấy rõ phân bố khơng hồn tồn theo đới đường lượng xạ (đường đẳng trị) đồ khơng trùng với vịng vĩ tuyến (Hình 3.9) Sự khác biệt phân bố xạ Trái Đất chịu ảnh hưởng độ suốt khí lượng mây Ở miền nhiệt đới cận nhiệt đới, lượng tổng xạ năm lớn 140 kcal/cm2 Lượng tổng xạ đặc biệt lớn
miền cận nhiệt đới mây, miền bắc châu Phi lượng tổng xạ năm đạt tới 200 kcal/cm2
Ngược lại, khu vực thuộc miền xích đạo lượng mây lớn (lưu vực sông Amazôn, Kônggô, Inđônêxia) lượng xạ giảm tới 100 – 120 kcal/cm2 Càng gần vĩđộ
cao tới 60o, lượng xạ hàng năm giảm đạt tới 60 – 80 kcal/cm2 Sau đó, lượng tổng xạ lại tăng theo vĩđộở Bắc Bán Cầu tăng đáng kểở Châu Nam Cực phủ tuyết mây (ở đại lượng xạđạt tới 120 – 150 kcal/cm2), nghĩa gần lượng tổng xạở miền nhiệt đới lớn lượng tổng xạở xích đạo Trên đại dương, lượng tổng xạ nhỏ lục địa
Hình 3.9
Tổng xạ năm (kcal/cm2 năm)
Vào tháng 12 (Hình 3.10), lượng tổng xạ lớn đạt tới 20 – 22 kcal/cm2 hay Nhưng khu vực nhiều mây gần xích đạo lượng giảm đến – 12 kcal vào mùa
(26)Hình 3.10
Tổng xạ tháng 12 (kcal/cm2 tháng)
Phía bắc vĩ tuyến 50o, lượng tổng xạ nhỏ hơn 2kcal/cm2 bằng ở phía bắc vịng cung
cực Vào mùa hè Nam Bán Cầu lượng tổng xạ giảm phía nam đạt tới 10 kcal/cm2 nhỏ tới vĩđộ 50 – 60o Song sau đó đại lượng tăng đạt tới 20 kcal/cm2 ở miền
bờ biển Châu Nam Cực 30 kcal/cm2ở lục địa, tức lớn lượng tổng xạ vào mùa hè miền nhiệt đới
Miền Bắc Việt Nam Bắc Trung Bộ có lượng tổng xạ năm từ 120 – 140 kcal/cm2, Nam vĩ tuyến 16oN lượng tổng xạ tăng rõ rệt đạt tới 140 kcal/cm2 do mây vào mùa đông
Tháng 12 miền Bắc lượng tổng xạ dao động từ – 10 kcal/cm2, miền Nam chịu ảnh hưởng gío mùa đơng bắc mây lượng tổng xạđạt tới 12 – 14 kcal/cm2
Hình 3.11
Tổng xạ tháng (kcal/cm2 tháng)
Vào tháng (Hình 3.11) lượng tổng xạ cực đại lớn 22 kcal/cm2 quan trắc
(27)Tại Trung Á, lượng tổng xạđạt tới 20 kcal/cm2 hay lớn Tại miền nhiệt đới lục địa Nam Bán Cầu, đại lượng nhỏ nhiều, chỉđạt tới 14 kcal/cm2 Trong khu vực nhiều mây cận xích đạo, vào tháng 12, lượng tổng xạ giảm tới – 12 kcal/cm2
Vào mùa hè Bắc Bán Cầu, lượng tổng xạ giảm chậm từ miền cận nhiệt đới lên phía bắc, từ phía Bắc vĩ tuyến 50o lượng tổng xạ tăng đạt tới 20 kcal/cm2 hay Bắc Băng Dương Vào mùa đông Nam Bán Cầu, lượng tổng xạ giảm nhanh phía nam đạt tới
phía ngồi vành đai cực Tháng đại lượng đồng toàn lãnh thổ Việt Nam dao động từ 12 – 14 kcal/cm2
Mặt đất khơng hấp thụ tồn lượng tổng xạ Một phần tổng xạ bị phản hồi, khoảng – 20% tổng xạ bị phản xạ Sa mạc, khu vực phủ băng tuyết phần tổng xạ
đi phản hồi lớn
Phân bốđịa lý cân xạ mặt đất
Như ta biết cân xạ hiệu tổng xạ xạ hữu hiệu Vì vậy, trước hết ta xét sơ qua phân bốđịa lý xạ hữu hiệu
Bức xạ hữu hiệu mặt đất phân bố Trái Đất đồng tổng xạ Điều nhiệt độ mặt đất phía vĩđộ thấp tăng, xạ mặt đất tăng, đồng thời xạ nghịch tăng lượng ẩm nhiệt độ khơng khí tăng Vì vậy, biến đổi xạ biểu khơng lớn
Hình 3.12
Cân xạ mặt đất năm (kcal/cm2 năm)
Cân xạ mặt đất năm có giá trị dương nơi Trái
(28)quyển) Như vậy, mặt đất nói chung khơng có cân thu chi xạ, có cân nhiệt Lượng nhiệt tới mặt đất trình xạ hay thông lượng xạ
bằng lượng nhiệt mặt đất trình Gần xích đạo, nơi độ mây độ ẩm lớn, lục địa biển, xạ hữu hiệu đạt tới khoảng 30 kcal năm Trên lục địa đặc biệt vùng sa mạc nhiệt đới nóng khơ mây, lượng xạ hữu hiệu lớn hơn, ởđây giá trị đạt tới 80 kcal năm
Tại vĩđộ khoảng 60o thuộc hai bán cầu, cân xạ năm 20 – 30 kcal/cm2 (Hình 3.12) từ tới vĩđộ cao hơn, cân xạ giảm châu Nam Cực – 10 kcal/cm2 Về phía vĩđộ thấp, đại lượng tăng: vĩđộ 40oN 40oS cân xạ
năm lớn 60 kcal/cm2, 20oN 20oS đại lượng lớn 100 kcal/cm2
Trên vĩđộ, cân xạ đại dương lớn lục địa, đại dương hấp thụ xạ nhiều Sự phân bố có tính địa đới cịn thấy vùng hoang mạc, nơi cân xạ giảm, xạ hữu hiệu lớn ởđây khơng khí khơ, trời mây (ví dụ Xahara, cân xạ 60 kcal/cm2) Trong khu vực gió mùa, nơi mùa nóng lượng mây tăng
như xạ hấp thụ giảm so với khu vực khác vĩđộ, cân xạ giảm với mức độ giảm
Hình 3.13
Cân xạ mặt đất tháng 12 (kcal/cm2 tháng)
Vào tháng 12 (Hình 3.13) cân xạ âm phần lớn Bắc Bán Cầu: đường đẳng trị nằm phía nam vĩ tuyến 40oN Về phía bắc vĩ tuyến này, cân xạ âm Bắc Băng Dương giảm tới – kcal/cm2 hay nhỏ Phía nam vĩ tuyến 40oN, cân xạ
(29)Vào tháng (Hình 3.14) cân xạ dương tồn Bắc Bán Cầu Ở vĩ tuyến 60 – 65oN nói chung, cân xạ lớn 8kcal/cm2
Hình 3.14
Cân xạ mặt đất tháng (kcal/cm2 tháng)
Về phía vĩđộ thấp cân xạ tăng chậm, hai phía miền nhiệt đới Bắc Bán Cầu, cân xạđạt tới giá trị cực đại 12 – 14 kcal/cm2, phía bắc miền A Rập đạt tới 16 kcal/cm2 hay hơn nữa Cân bằng bức xạ vẫn dương cho đến vĩ tuyến 40oN Về phía Nam,
cân xạ chuyển sang giá trị âm bờ biển châu Nam Cực đạt tới – 1,2 kcal/cm2 Trên lãnh thổ Việt Nam, cân xạ dương với cân xạ năm 80kcal/cm2ở miền khí hậu phía bắc 80kcal/cm2ở miền khí hậu phía nam
Tuy nhiên, thông lượng xạ mặt trời mặt nằm ngang phụ thuộc vào độ dài ngày mà phụ thuộc vào độ cao mặt trời Lượng xạ tới giới hạn khí ứng với đơn vị diện tích mặt nằm ngang, tỉ lệ thuận với sin độ cao mặt trời Song độ cao Mặt Trời nơi không biến đổi q trình ngày mà cịn phụ
thuộc vào thời gian năm
Độ cao Mặt Trời cực đại nơi (vào trưa) ngày hạ chí là: 90o – ϕ
+ 23,5o, ởđây ϕ vĩđộđịa phương Độ cao Mặt Trời cực tiểu vào ngày đơng chí là: 90o – ϕ
– 23,5o vào ngày xuân phân độ cao Mặt Trời là: 90o – ϕ
Như vậy, độ cao Mặt Trời xích đạo biến đổi trình năm từ 90ođến 66o5 Ở
vùng nhiệt đới từ 90ođến 43o, ở vùng vành đai cực từ 47ođến 0o ở cực từ 23,5ođến 0o
Tóm lại, dạng cầu Trái Đất độ nghiêng xích đạo so với quĩđạo bầu dục (23,5o)
(30)Trên sở kết tính tốn theo cơng thức này, người ta biểu diễn hình 3.8 thơng lượng xạở Bắc Bán Cầu giới hạn khí (hay khơng có khí quyển) Thơng lượng tính kcal/cm2 mặt nằm ngang năm bán cầu Hình vẽ cho ta thấy thơng lượng xạ mặt trời năm biến đổi từ 318 kcal